Vom Destillationsrückstand zum Energiespeicher: Forscher verwandeln Bourbon-Nebenprodukte in Superkondensatoren
Brennereiabfälle versorgen Superkondensatoren mit 25-facher Energie im Vergleich zu herkömmlichen Geräten
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Im Bundesstaat Kentucky werden 95 % des weltweiten Bourbons hergestellt, und bei der Herstellung von Bourbon fällt eine enorme Menge an Getreideabfällen an, die sogenannte Schlempe. Nun haben Forscher der Universität von Kentucky ein Verfahren entwickelt, um diese Schlempe in Elektroden umzuwandeln. Mit den Elektroden aus Bourbon-Nebenprodukten schufen sie Superkondensatoren, die mehr Energie speichern können als vergleichbar große kommerzielle Geräte.
Forscher wandelten Bourbon-Brennereiabfälle (linkes Bild) in Elektroden für Superkondensatoren (rechtes Bild) um, die mehr Energie pro Kilogramm speichern als handelsübliche Geräte.
Josiel Barrios Cossio
Josiel Barrios Cossio, ein Doktorand, erfuhr erstmals vom Ausmaß des Abfallproblems bei amerikanischem Whiskey, als er im Rahmen eines Forschungspraktikums Lebensmittel-, Energie- und Wasserprobleme in Kentucky untersuchte. "Bei der Herstellung von Bourbon fällt die 6- bis 10-fache Menge an Schlempe als Abfall an", sagt Barrios Cossio, "das ist also eine große Sache."
Bei dieser Schlempe handelt es sich um eine schlampige Maische, die normalerweise an Landwirte als Viehfutter oder Bodenhilfsstoff verkauft wird. Sie ist jedoch schwer zu transportieren, solange sie nass ist, und ihre Trocknung ist teuer.
Eine alternative Lösung ist die direkte Umwandlung der suppigen Schlempe in wertvollere Kohlenstoffmaterialien mit Hilfe einer Technik namens hydrothermale Karbonisierung, die dem Druckkochen mit hoher Intensität ähnelt. "Wir könnten die Schlempe so nehmen, wie sie ist, in einer Dispersion mit viel Wasser", sagt Barrios Cossio, "und diesen Nachteil als Vorteil nutzen."
Das Team interessierte sich für Kohlenstoffmaterialien, weil sie sich gut als Elektroden für Superkondensatoren, eine Art Energiespeicher, eignen. Die hydrothermale Karbonisierung könnte einen pflanzlichen Abfall als Quelle für diese Elektroden bieten. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass landwirtschaftliche Nebenprodukte wie Maisfasern durch diese Art der Erhitzung in Kohlenstoffmaterialien umgewandelt werden können, aber die Strategie wurde noch nicht mit Bourbonschlempe ausprobiert, die aus einer Getreidemischung besteht, die Mais enthalten muss.
Also machten sich Barrios Cossio und Marcelo Guzman, Chemiker an der Universität von Kentucky und Hauptverantwortlicher für das Projekt, daran, die Abfälle ihrer örtlichen Brennereien in Elektroden für Superkondensatoren zu verwandeln.
Der erste Schritt bestand darin, mit den Brennereibesitzern in Kontakt zu treten, Vertrauen aufzubauen und sie davon zu überzeugen, den Forschern Zutritt zu ihren Anlagen zu gewähren, um Proben zu nehmen und "etwas Lustiges damit zu machen", so Barrios Cossio. Die Chemiker der University of Kentucky haben Beziehungen zu Brennereien von Kentucky bis Illinois und sogar Kanada aufgebaut, um deren Abfälle zu nutzen.
Das Team verwandelte die feuchte Schlempe in ein feines schwarzes Pulver, indem es das Abfallprodukt in einem 10-Liter-Reaktor mit Hitze und Druck behandelte. Anschließend wurde das schwarze Pulver in einem Ofen auf 200 Grad Celsius (392 Grad Fahrenheit) erhitzt, entweder allein, um harten Kohlenstoff zu bilden, oder mit Kaliumhydroxid auf 800 Grad Celsius (1.472 F), um Aktivkohle zu bilden. Hartkohle ist wie Graphit, aber mit weniger sauber gestapelten Kohlenstoffblättern, was sie ideal für die Aufnahme von mehr Lithiumionen macht, um die Energiespeicherfähigkeit zu erhöhen. Aktivkohle ist extrem porös, d. h. sie kann große Mengen an Ladung und damit Energie auf ihrer großen inneren Oberfläche speichern.
Zur Erprobung des Konzepts stellte das Team Doppelschichtkondensatoren her, indem es einen flüssigen Elektrolyten zwischen Aktivkohleelektroden einfügte. In Tests konnten diese münzgroßen Superkondensatoren bis zu 48 Wattstunden pro Kilogramm speichern, was mit handelsüblichen Kondensatoren vergleichbar war.
Die Forscher experimentierten auch mit hybriden Lithium-Ionen-Superkondensatoren, die einen Kompromiss zwischen den schnellen Entladegeschwindigkeiten von Kondensatoren und der höheren Energiespeicherung von Batterien darstellen sollen. Sie bauten also Geräte mit einer Aktivkohleelektrode vom Typ Kondensator und einer Hartkohleelektrode vom Typ Batterie, die beide mit Lithiumionen versetzt wurden. Diese aus Destillation gewonnenen Superkondensatoren speicherten bis zu 25 Mal mehr Energie pro Kilogramm als herkömmliche Versionen.
Die Lithium-Ionen-Superkondensatoren sind auch ein neues Beispiel für die Verwendung einer landwirtschaftlichen Quelle für zwei verschiedene Elektroden in einem einzigen Gerät. "Für mich war es eine große Entdeckung, dass man aus diesen Abfällen Hybridgeräte herstellen kann", sagt Barrios Cossio. "Hybridgeräte sind nicht üblich. Nicht üblich und nicht einfach herzustellen."
Die nächsten Schritte der Forscher bestehen darin, die Energiespeichermechanismen ihrer aus Destillationsrückständen gewonnenen Superkondensatoren zu untersuchen, um sie für die Kommerzialisierung zu optimieren. Ihr Ziel ist es, größere Versionen der Superkondensatoren zu entwickeln, so dass diese Technologie eines Tages dazu beitragen könnte, das Stromnetz zu stabilisieren, wenn mehr erneuerbare Energiequellen einbezogen werden. Unmittelbar danach wird das Team eine Lebenszyklusanalyse sowie eine Bewertung der wirtschaftlichen und technologischen Machbarkeit durchführen, um die Nachhaltigkeit der Umwandlung von Brennereiabfällen in Energiespeicher zu bewerten.
Insgesamt freut sich das Team, dass es in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Andrea Balducci von der Friedrich-Schiller-Universität Jena eine prototypische Lösung für ein lokales Problem gefunden hat. "Dieses Projekt ermöglichte es uns, ein reales Problem mit Industrien auf unserer Landesebene zu verknüpfen", sagt Guzman, "und das war super cool."
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